Giản đồ trạng thái Fe - C Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) được trình bày ở hình 3.18 với các ký hiệu các tọa độ (nhiệt độ, oC - thành phần cacbon, %) đã được quốc tế hóa như sau: A (1539 - 0); B (1499 - 0,5); C (1147 - 4,3); E (1147 - 2,14); F (1147 - 6,67); G (911 - 0); D (~1250 - 6,67); H (1499 - 0,10); J (1499 - 0,16); K (727 - 6,67); L (0 - 6,67); N (1392 - 0); P (727 - 0,02); S (727 - 0,80). Q (0 - 0,006); Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau: - ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh. - AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh. - ECF (1147oC) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic). - PSK (727oC) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid). - ES - giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ. - PQ - giới hạn hòa tan cacbon trong Feα. Hình 3.18. Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C). Các chuyển biến khi làm nguội chậm Như đã nói, trong giản đồ này có khá đầy đủ các chuyển biến đã khảo sát ở trên. - Chuyển biến bao tinh xảy ra ở 1499oC trong các hợp kim có 0,10 - 0,50%C (đường HJB) δH + LB → γH hay δ0,10 + L0,50 → γ0,16 (3.1) song người ta thường không để ý đến phản ứng này vì xảy ra ở nhiệt độ quá cao và không có ảnh hưởng gì đến tổ chức của thép khi gia công và sử dụng. - Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 1147oC trong các hợp kim có > 2,14%C (đường ECF) LC → (γE + Fe3CF) hay L4,3 → (γ2,14 + Fe3C6,67) (3.2) - Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 727oC hầu như với mọi hợp kim (đường PSK) γS → [αP + Fe3CK] hay γ0,8 → [α0,02 + Fe3C6,67] (3.3) - Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch rắn: trong Feγ theo đường ES và trong Feα theo đường PQ. Các tổ chức một pha Ở trạng thái rắn có thể gặp bốn pha sau. Ferit (có thể ký hiệu bằng α hay F hay Feα) là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feα với mạng lập phương tâm khối (a = 0,286 - 0,291nm) song do lượng hòa tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02%C ở 727oC - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006%C - điểm Q) nên có thể coi nó là Feα (theo tính toán lý thuyết ở mục 3.3.1a, cacbon không thể chui vào lỗ hổng của Feα, lượng cacbon hòa tan không đáng kể này là nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu là ở vùng biên giới hạt). Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 768oC. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Feα trên trục sắt). Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hòa tan Si, Mn, P, Cr... nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 727oC), song với tỷ lệ cao nhất (trên dưới 90%), nên nó đóng góp một tỷ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe - C. Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình 3.19a có dạng các hạt sáng, đa cạnh. Hình 3.19. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500). Austenit [ có thể ký hiệu bằng γ, A, Feγ(C) ] là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feγ với mạng lập phương tâm mặt (a ≈ 0,364nm) với lượng hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 1147oC - điểm E, tức tối đa tính bình quân cứ ba - bốn ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lỗ hổng tám mặt trong chúng, ở 727oC chỉ còn 0,80%C - điểm S). Khác với ferit, austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 727oC) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Feγ trên trục sắt) nên không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện. Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên dưới 1000oC). Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% dù cho ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính giòn khá cao. Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hỗn hợp ferit xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở hình 3.19b có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao). Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Người ta phân biệt bốn loại xêmenntit: - Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3%C. Do tạo thành ở nhiệt độ cao (> 1147oC) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thô to (hình 3.24b) đôi khi có thể thấy được bằng mắt thường. - Xêmentit thứ hai (XeII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80 cho tới 2,14%C. Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (> 727oC) tạo điều kiện cho sự tập trung ở biên giới hạt, nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt austenit ((peclit) như biểu thị ở hình 3.23, tức tạo ra khung giòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim. - Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành đo giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỷ lệ) rất nhỏ (nhiều nhất cũng chỉ là 2o/oo) nên rất khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua. - Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit → peclit. Loại xêmentit này có vai trò rất quan trọng, được trình bày ở mục tiếp theo. Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe - C cao và chứa lượng đáng kể silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang. Các tổ chức hai pha Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [Feα + Fe3C]). Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit với 0,80%C và ở 727oC như phản ứng (3.3). Trong peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, trôxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe - C. Người ta phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt. Peclit tấm (hình 3.20a) thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), tức là hai pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau, nên trên mặt cắt ngang để lại các vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng (với lượng ít hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng thể có dạng vân. Peclit hạt (hình 3.20b) ít gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit ở dạng thu gọn nhất (bề mặt ít nhất) - hạt xêmentit phân bố đều trên nền ferit. Giữa hai loại này có sự khác biệt nhỏ về cơ tính: so với peclit hạt, peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút. Austenit đồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt. Peclit hạt ổn định hơn peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ tương đối cao (ví dụ 600 - 700oC) peclit tấm có xu hướng chuyển thành peclit hạt. Hình 3.20. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b) (x500). Lêđêburit [có thể ký hiệu bằng Le, hay (γ + Xe) hay (P + Xe)]. Hình 3.21. Tổ chức tế vi của lêđêburit - (P+Xe) (x500). Lêđêburit là hỗn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha lỏng với 4,3%C ở 1147oC nhờ phản ứng (3.2), tuy nhiên khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng cùng tích (3.3) để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối cùng quan sát được (hình 3.21) là hỗn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng. Lêđêburit cứng và giòn (vì có quá nhiều, tới 2/3, là xêmentit) và chỉ có trong hợp kim Fe - C ở dạng gang trắng, ít gặp. Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: để kỷ niệm các nhà khoa học lỗi lạc trong ngành là Robert Austen (người Anh) cho austenit, Ledebur (người Đức) cho lêđêburit; từ bản chất hay đặc trưng tính chất là ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng) cho xêmentit. Phần trên của giản đồ Phần trên của giản đồ trạng thái Fe – C ứng với sự kết tinh từ trạng thái lỏng thấy có ba khu vực rõ rệt ứng với ba khoảng thành phần cacbon khác nhau. Khu vực có thành phần 0,1 – 0,51%C (có phản ứng bao tinh). Tất cả các hợp kim có thành phần cacbon 0,1 – 0,51%C khi kết tinh sẽ xảy ra phản ứng bao tinh: δH + LB → γJ. Lúc đầu, khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn trước. Khi nhiệt độ hạ xuống tới 1499oC (ứng với đường HB), hợp kim có hai pha là dung dịch rắn δ chứa 0,10%C và dung dịch rắn ôstenit chứa 0,16%C: Các hợp kim có 0,1 – 0,16%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha δ và khi làm nguội tiếp, pha này tiếp tục chuyển biến thành pha γ. Các hợp kim có 0,16 – 0,51%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha lỏng L, và sau khi làm nguội tiếp theo pha lỏng tiếp tục chuyển biến thành pha γ. Như vậy, cuối cùng hợp kim 0,10 – 0,51%C khhi làm nguội xuống dưới đường NJE chỉ có tổ chức một pha ôstenit. Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn ôstenit. Hợp kim thành phần 2,14 – 4,3%C: khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó sẽ kết tinh ra ôstenit. Làm nguội tiếp tục, ôstenit có thành phần thay đổi theo đường JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC. Khu vực có thành phần 0,51 – 2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn ôstenit. Hợp kim có thành phần 2,14 – 4,3%C, kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C ra hai pha: ôstenit có thành phần ứng với điểm E và xêmentit ở 1147oC. Hỗn hợp cùng tinh lêđêburit Sau khi kết tinh xong hợp kim này có tổ chức ôstenit + lêđêburit (γ + Xe). Khu vực có thành phần 4,3 – 6,67%C (kết tinh ra xêmentit thứ nhất). Phần hợp kim 4,3 – 6,67%C: khi hợp kim được làm nguội tới đường lỏng DC nó kết tinh ra xêmentit và gọi là xêmentit thứ nhất. Khi làm nguội tiếp tục sẽ phản ứng tạo nên cùng tinh lêđêburit xảy ra ở 1147oC. Sau khi kết tinh xong, hợp kim này có tổ chức xêmentit thứ nhất + lêđêburit (γ + Xe). Tóm lại: khi kết tinh từ pha lỏng, trong hợp kim Fe – C có xảy ra các quá trình sau: kết tinh ra δ (< 0,51%C) và phản ứng cùng tinh (2,14 – 6,67%C). Phần dưới của giản đồ Phần dưới của giản đồ ứng với những chuyển biến ở trạng thái rắn. Có ba pha chuyển biến đáng chú ý sau đây xuất phát từ ôstenit. Sự tiết ra xêmentit thứ hai từ ôstenit Các hợp kim có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% khi làm nguội từ 1147oC đến 727oC, ôstenit của nó bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, do vậy, sẽ tiết ra xêmentit mà ta gọi là xêmentit thứ hai. Cuối cùng ở 727oC, ôstenit có thành phần cacbon 0,8% ứng với điểm S. Sự tiết ra ferit từ ôstenit Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ hơn 0,8% khi làm nguội từ 911oC ÷ 727oC, ôstenit của nó sẽ tiết ra ferit là pha ít cacbon, do vậy ôstenit còn lại giàu cacbon theo đường GS. Cuối cùng ở 727oC hợp kim gồm hai pha là ferit ứng với điểm P (0,02%C) và ôstenit ứng với điểm S (0,8%C). Như vậy khi làm nguội tới 727oC trong tổ chức của mọi hợp kim Fe – C đều chứa ôstenit với 0,8%C (ứng với điểm S). Chuyển biến cùng tích: ôstenit thành peclit. Tại 727oC ôstenit có thành phần 0,8%C sẽ chuyển biến thành peclit là hỗn hợp của hai pha ferit và xêmentit. Như đã nói ở trên, chuyển biến này có ở trong mọi hợp kim Fe – C. Khái niêm ̣ chung vềthep, ́ gang Thép và gang đều là hợp kim Fe - C (ngoài ra có thể có ít nhiều các nguyên tố khác), trong đó phân biệt ít hơn 2,14%C là thép, nhiều hơn 2,14%C là gang. Một cách gần đúng có thể thấy điểm E trên giản đồ pha phân biệt hai loại vật liệu này: bên trái E là thép, bên phải E là gang. Chính điều này đã giải thích được các đặc điểm cơ bản khác nhau giữa chúng. Như vậy tất cả các thép dù với lượng cacbon, tổ chức và cơ tính rất khác nhau ở nhiệt độ thường và tương đối cao (< 727oC), nhưng một khi đã được nung nóng cao hơn đường GSE tương ứng, đều chỉ có một pha duy nhất là austenit với độ dẻo rất cao nên rất dễ biến dạng. Chính vì vậy thép được coi là vật liệu dẻo, được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm cán nóng (dây, thanh, ống, tấm, hình...) rất tiện lợi cho sử dụng. Các thép ít cacbon mềm và dẻo cũng có khả năng biến dạng nguội. Tính đúc của thép nói chung là thấp (do nhiệt độ chảy cao, không có tổ chức cùng tinh) và ít được sử dụng để chế tạo vật đúc. Ngược lại với thép, khi nung nóng, gang không thể đạt được tổ chức một pha austenit mà bao giờ cũng còn xêmentit (hay grafit) nên không thể đem biến dạng nguội lẫn nóng, song bù lại nó có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh với khả năng điền đầy khuôn cao. Chính vì vậy gang là vật liệu đúc, chỉ được cung cấp dưới dạng vật đúc (các sản phẩm định hình như chi tiết máy phức tạp: thân bệ, hộp, vỏ hay đơn giản nhống...). Gang có thành phần càng gần cùng tinh tính đúc càng cao. Nói chung tính dẻo của gang rất thấp, mặc dù một số loại có tính dẻo nhất định song không bao giờ được đem biến dạng dẻo. Khi lượng cacbon nằm trong vùng giáp ranh giữa thép và gang (1,80 - 2,20%) cả tính đúc lẫn tính chịu biến dạng dẻo đều kém và lúc đó xếp hợp kim Fe - C đó vào loại nào là tùy thuộc vào các thành phần khác, cách tạo hình và công dụng. Như vậy cũng không loại trừ một số rất ít trường hợp gang có 1,80 - 2,00%C, thép lại có 2,20 - 2,40%C. Cać loaị thep, ́ gang theo gian ̉ đồ pha Fe - C Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại thép và ba loại gang khác nhau. Thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C là loại hợp kim ngoài Fe với C < 2,14% ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác (xem mục 5.1.1a), được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây. - Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với bên trái điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) mà các tổ chức tế vi được trình bày ở hình 3.22. Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ này song tập trung hơn cả vào loại ≤ 0,20%C rồi tiếp đến 0,30 - 0,40%C. Theo tính toán từ quy tắc đòn bảy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) giảm đi. Nếu không chứa cacbon (hay quá ít, 0,02 - 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit (hình 3.19a) tức chỉ có các hạt sáng. Với 0,10%C (hình 3.22a) phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40%C (hình 3.22b) là 1/2 và với 0,60%C (hình 3.22c) là 3/4, cuối cùng là 0,80%C (hình 2.20a) thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm). Vậy đối với loại thép này lượng cacbon của nó được tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với 0,80%. - Thép cùng tích với thành phần 0,80%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit. Hình 3.22. Tổ chức tế vi của các thép trước cùng tích (x500): a. 0,10%C, b. 0,40%C, c. 0,60%C. - Thép sau cùng tích với thành phần ≥ 0,90%C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2.0 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai thường ở dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit tấm như ở hình 3.23. Gang tương ứng với giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá cứng, giòn, không thể gia công cắt được. Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau. - Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3% ở bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit (hình 3.24a). - Gang trắng cùng tinh có 4,3%C ứng đúng điểm C hay lân cận, với tổchức chỉ là lêđêburit (hình 3.21). - Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3%C ở bên phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất (hình 3.24b). Hình 3.23. Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích (1,20%C) (x500). Hình 3.24. Tổ chức tế vi của gang trắng (x500): trước cùng tinh (a) và sau cùng tinh (b) Các điểm tới hạn của thép Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C (hình 3.18), trong khu vực của thép có rất nhiều đường ứng với các chuyển biến pha khác nhau. Để đơn giản hóa việc gọi tên các chuyển biến pha này người ta ký hiệu (đánh số) các đường tương ứng bằng chữ A (từ tiếng Pháp arrêt có nghĩa là dừng, vì khi có chuyển biến pha nhiệt độ biến đổi chậm lại đôi khi dừng hẳn) với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, và cm, chúng được gọi là các điểm (hay nhiệt độ) tới hạn. Các điểm tới hạn thường dùng nhất gồm: A1 - đường PSK (727oC) ứng với chuyển biến austenit ←→ peclit, có trong mọi loại thép A3 - đường GS (911 - 727oC) ứng với bắt đầu tiết ra ferit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan ferit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép trước cùng tích. Acm - đường ES (1147 - 727oC) ứng với bắt đầu tiết ra xêmentit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép sau cùng tích. [Các điểm tới hạn khác là A0 (210oC) - điểm Curi của xêmentit, A2 (768oC) - điểm Curi của ferit, A4 - đường JN (1499 - 1392oC) ứng với chuyển biến γ ←→ δ]. Có thể dễ dàng xác định (gần đúng) giá trị của A3 và Acm của các thép có thành phần cacbon khác nhau theo giản đồ pha Fe - C bằng cách gióng hay tính toán với quy ước các đường tương ứng GS và ES là thẳng. Tuy nhiên các điểm tới hạn tìm được này chỉ đúng với trạng thái cân bằng (nung nóng hay làm nguội vô cùng chậm), không phù hợp với các trường hợp nung nóng, làm nguội thông thường và nhanh. Cũng giống như các hiện tượng quá nguội (khi kết tinh), quá nung (khi nấu chảy) các điểm tới hạn này cũng thấp xuống hoặc cao lên khi làm nguội hoặc nung nóng; tốc độ càng cao sự cách biệt này càng lớn. Để phân biệt cùng một điểm tới hạn cho hai trường hợp: nung nóng và làm nguội, người ta thêm chữ c (chauffage) khi nung nóng, thêm chữ r (refroidissement) khi làm nguội. Với cùng một thép bao giờ cũng có: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3..., trong đó A tính theo giản đồ pha còn Ac cao hơn và phụ thuộc vào tốc độ nung, Ar thấp hơn và phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ càng cao sự sai khác càng mạnh. Khái niêm ̣ bien dạng dẻo Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫu kim loại tròn, dài ta được biểu đồ kéo [hay còn gọi là biểu đồ tải trọng (hay ứng suất ) - biến dạng] với dạng điển hình được trình bày ở hình 2.1. Biểu đồ này cho ta một khái niệm chung về các loại biến dạng và phá hủy. - Khi tải trọng đặt vào nhỏ, F < Fđh, độ biến dạng (ở đây biểu thị bằng độ giãn dài ∆l) tỷ lệ bậc nhất với tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng mất đi. Biến dạng như vậy được gọi là biến dạng đàn hồi. Ví dụ, dưới tải trọng F1 mẫu bị dài thêm đoạn O1, nhưng khi nhấc (bỏ) tải trọng đi mẫu lại trở lại kích thước ban đầu. Hình 2.1. Sơ đồ biểu đồ tải trọng - biến dạng điển hình của kim loại. - Khi tải trọng đặt vào lớn, F > Fđh, độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng không bị mất đi mà vẫn còn lại một phần. Biến dạng này được gọi là biến dạng dẻo. Ví dụ, khi đặt tải trọng Fa mẫu bị kéo dài theo đường Oea tức bị dài thêm đoạn Oa'', nhưng khi bỏ tải trọng mẫu bị co lại theo đường song song với đoạn thẳng Oe nên cuối cùng vẫn còn bị dài thêm một đoạn Oa', phần này chính là phần biến dạng dẻo hay dư, còn lại sau quá trình; còn a'a'' là phần biến dạng đàn hồi bị mất đi sau quá trình. Nhờ biến dạng dẻo ta có thể thay đổi hình dạng, kích thước kim loại tạo nên nhiều chủng loại phong phú đáp ứng tốt yêu cầu sử dụng. - Nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất Fb, lúc đó trong kim loại xảy ra biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt), tải trọng tác dụng giảm đi mà biến dạng vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá hủy ở điểm c. Sự biến đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thái trên trình bày ở hình 2.2. Hình 2.2. Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lượt tăng tải trọng: ban đầu (a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo (c), phá hủy (d). Khi biến dạng đàn hồi các nguyên tử chỉ dịch chuyển đi khoảng cách nhỏ (không quá một thông số mạng), thông số mạng tăng từ a lên a+ ∆a, tức chưa sang vị trí cân bằng mới nên khi bỏ tải trọng lại trở về vị trí cân bằng cũ. Biến dạng đàn hồi xảy ra do cả ứng suất tiếp lẫn ứng suất pháp. Khi biến dạng dẻo các nguyên tử dịch chuyển đi khoảng cách lớn hơn (quá một thông số mạng) nên khi bỏ tải trọng nó trở về vị trí cân bằng mới. Cần nhớ là biến dạng dẻo chỉ xảy ra do ứng suất tiếp. Khi biến dạng đàn hồi và dẻo lực liên kết giữa các nguyên tử vẫn được bảo tồn, còn khi phá hủy các liên kết bị hủy hoại dẫn đến đứt rời. Biến dạng dẻo thường xảy ra bằng cách trượt (đôi khi xảy ra bằng song tinh), ở đây chỉ giới hạn khảo sát biến dạng dẻo dưới hình thức này. Để khảo sát biến dạng dẻo chúng ta sẽ bắt đầu từ dạng đơn giản nhất (tuy hầu như không gặp trong thực tế) là trượt của đơn tinh thể rồi mở rộng ra cho dạng thực tế nhưng phức tạp hơn là cho đa tinh thể . Tổ chức và tính chất của kim loai sau khi biến dạng dẻo Biến dạng dẻo làm thay đổi rất mạnh tổ chức, tính chất đặc biệt là cơ tính của vật liệu cũng như kim loại. 1) Trong và sau khi trượt mạng tinh thể ở xung quanh mặt trượt bị xô lệch, các hạt bị biến dạng không đều, song đều có khuynh hướng bị kéo dài, bẹt ra theo phương biến dạng. Với độ biến dạng ε lớn (40 - 50%) hạt bị phân nhỏ ra, các tạp chất và pha thứ hai bị nhỏ vụn ra, kéo dài ra tạo nên thớ (độ biến dạng ε thường được tính bằng độ giảm của tiết diện phôi khi biến dạng dẻo theo công thức , trong đó So và Sf là tiết diện phôi trước và sau khi biến dạng dẻo). Khi độ biến dạng rất lớn (70 . 90%, ít gặp) các hạt bị quay đến mức các mặt và phương mạng cùng chỉ số của chúng trở nên song song với nhau (hình 2.7), tạo nên cấu trúc được gọi là textua (texture). Khi kim loại có textua nó sẽ có tính dị hướng. Hiện tượng này được áp dụng khá rộng rãi cho thép kỹ thuật điện để làm giảm tổn thất từ trong các biến thế. Textua tạo nên trong trường hợp này được gọi là textua biến dạng. Ví dụ khi cán: - Các mặt {123} và {110} của A1, {100} hoặc {110} của A2, {0001} của A3 định hướng lại song song với mặt phẳng cá n; - Các phương < 412 > và < 211 > của A1, < 100 > của A2, < 1010 > của A3 định hướng lại song song với phương cán. 2) Sau biến dạng dẻo trong kim loại tồn tại ứng suất dư do xô lệch mạng và biến dạng không đều giữa các hạt cũng như trên tiết diện. Nói chung ứng suất bên trong có hại cho cơ tính, song cũng có trường hợp người ta cố ý tạo nên lớp ứng suất nén dư để nâng cao giới hạn mỏi bằng cách lăn ép, phun bi. 3) Sau khi biến dạng dẻo, do mạng tinh thể bị xô lệch, cơ tính kim loại thay đổi rất mạnh theo chiều hướng như sau (hình 2.8): - Tăng độ cứng. - Tăng độ bền song trong đó giới hạn đàn hồi σđh và giới hạn chảy σ0,2 tăng mạnh hơn, tức có xu hướng biến cứng, hóa bền, nhưng lại làm giảm dộ dẻo và độ dai, tức có xu hướng biến giòn. Hình 2.7. Hai dạng textua biến dạng trong vật liệu từ mềm: a. Fe-Si, textua { 110 } < 100 >, b. Fe-Ni, textua { 100 } < 100 >. Hiện tượng này còn được gọi là hóa bền biến dạng (để phân biệt với một số dạng hóa bền khác như nhiệt luyện, hợp kim hóa...). Hóa bền biến dạng là hình thức hóa bền thông dụng trong kỹ thuật được gọi dưới nhiều tên khác nhau như: biến cứng, cứng nguội. Hiệu quả mạnh nhất của hóa bền biến dạng là ở giai đoạn đầu, càng về sau hiệu quả này giảm dần. Khi độ biến dạng rất cao σđh và σ0,2 đạt gần tới σb, song lúc đó độ dẻo (δ) hầu như bằng không. Nói chung biến dạng dẻo có thể làm tăng giới hạn bền, độ cứng từ 1,5 đến 3 lần, giới hạn chảy từ 3 đến 7 lần. Các vật liệu với mạng A1 (thép austenit, nhôm, đồng và các hợp kim của chúng) có hiệu ứng hóa bền biến dạng mạnh hơn hơn cả nên thường được áp dụng nhiều hơn, có hiệu quả hơn loại mạng A2 (các thép khác...). Tuy nhiên làm giảm mạnh độ dẻo và độ dai là điều phải tính tới khi á p dụng dạng hóa bền này. Trong nhiều trường hợp sau khi biến dạng dẻo, kim loại trở nên hoặc là quá cứng khó cắt gọt hay biến dạng dẻo tiếp theo, hoặc là quá giòn dễ bị gẫy ngay cả dưới tải trọng va đập nhỏ, lúc đó cần phải đưa kim loại về trạng thái ban đầu như lúc chưa biến dạng bằng cách ủ kết tinh lại. Hình 2.8. Ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tính của kim loại nói chung (a) và đồng nói riêng (b). Ngoài làm thay đổi cơ tính, biến dạng dẻo cũng làm thay đổi lý, hóa tính trong đó đáng chú ý là : - Làm tăng điện trở (do vậy đối với vật liệu dẫn điện như dây đồng, nhôm phải tránh dùng ở trạng thái biến cứng). - Làm giảm mạnh tính chống ăn mòn. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo Như đã trình bày, sau khi biến dạng dẻo kim loại bị biến cứng, hóa bền (do mạng tinh thể bị xô lệch với mật độ lệch cao, tồn tại ứng suất bên trong...), ở trạng thái không cân bằng với năng lượng dự trữ cao và có xu hướng trở về trạng thái cân bằng với các diễn biến ngược lại, trở về mạng cân bằng ban đầu không có xô lệch mạng do biến dạng dẻo và ứng suất bên trong. Với đa số kim loại, hợp kim, quá trình này xảy ra rất chậm ở nhiệt độ thường, nung nóng làm tăng khả năng dịch chuyển của nguyên tử, làm quá trình trở về đó nhanh hơn. Nếu như biến đổi tính chất chủ yếu khi biến dạng dẻo là hóa bền thì khi nung nóng nó (kim loại đã qua biến dạng dẻo) là thải bền. Trong nhiều trường hợp người ta phải khôi phục lại trạng thái ban đầu: dẻo và mềm bằng cách nung nóng lại, vì các lý do sau: - Để tiếp tục biến dạng dẻo (ví dụ, khi kéo sợi, kim loại ngày một cứng, giòn, cần năng lượng ngày một lớn hơn và có nguy cơ đứt gãy, đến một lúc nào đó phải khôi phục tính dẻo, giảm độ cứng mới có thể kéo tiếp được). - Để có thể gia công cắt. - Khử bỏ ứng suất bên trong để tránh phá hủy giòn. Hãy xét các quá trình xảy ra khi nung nóng kim loại đã qua biến dạng dẻo. Kết tinh lại Đây là giai đoạn quan trọng nhất với các đột biến về cấu trúc mạng tinh thể, tổ chức tế vi và tính chất. Bản chất kết tinh lại Khi nung nóng cao hơn nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ kết tinh lại), trong mạng tinh thể bị xô lệch có quá trình hình thành các hạt mới không có các sai lệch do biến dạng dẻo gây ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như kết tinh: - Mầm là những vùng không chứa sai lệch do biến dạng dẻo; chúng sinh ra chủ yếu ở những vùng bị xô lệch mạnh nhất, năng lượng dự trữ cao nhất nên kém ổn định nhất (như mặt trượt, biên hạt) do đó dễ trở về trạng thái câ n bằng với ít sai lệch nhất. Như vậy kim loại bị biến dạng dẻo càng mạnh, mầm kết tinh lại sẽ được tạo nên càng nhiều nên hạt càng nhỏ. - Sự phát triển tiếp theo là quá trình tự nhiên. Sau khi kết thúc kết tinh lại, có các hạt hoàn toàn mới đa cạnh với mạng tinh thể ít sai lệch nhất như trước khi bị biến dạng dẻo và mọi tính chất trở lại mức như trước khi bị biến dạng tức xảy ra quá trình thải bền: độ dẻo tăng lên và độ bền, độ cứng giảm đi một cách đột ngột. ở đây có hai vấn đề đáng quan tâm là nhiệt độ tiến hành quá trình này và kích thước hạt nhận được. Nhiệt độ Nhiệt độ kết tinh lại là nhiệt độ nhỏ nhất tại đó xảy ra quá trình kết tinh lại (tạo mầm và phát triển mầm) với tốc độ đáng kể . Do kết tinh lại phụ thuộc vào sự dịch chuyển xa của nguyên tử nên nhiệt độ của quá trình đó Toktl - phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chả y - ToS - theo công thức: Toktl = a. ToS (cả hai nhiệt độ đều tính theo oK) trong đó hệ số a phụ thuộc vào độ sạch của kim loại, mức độ biến dạng và thời gian giữ nhiệt. Trong điều kiện thường gặp nhất: mức độ biến dạng lớn (> 40 - 50%), thời gian giữ nhiệt khi nung nóng khoảng 1h, đối với kim loại nguyên chất kỹ thuật thì a ≈ 0,4, kim loại tinh khiết (hầu như nguyên chất) a ≈ 0,2 - 0,3, hợp kim là dung dịch rắn a ≈ 0,5 - 0,8. Độ biến dạng càng lớn, thời gian ủ càng dài hệ số a tương ứng càng nhỏ. Trên cơ sở này có thể tính được nhiệt độ ủ để khôi phục các tính chất ban đầu cho các kim loại và hợp kim, một việc làm thường phải giải quyết trong công nghệ gia công kim loại. Như vậy các kim loại (nguyên chất kỹ thuật) thường gặp có nhiệt độ kết tinh lại khác nhau, như sau: Fe (toS = 1539oC) - 450oC, Cu (toS = 1083oC) - 270 oC, Al (toS = 660oC) - 100oC, Pb, Zn, Sn (toS trên dưới 300oC) - < to thường. Tổ chức tế vi và độ hạt Sau kết tinh lại được các hạt mới đa cạnh, đẳng trục, mất hẳn dạng hạt méo, kéo dài; song điều cần bàn ở đây là độ hạt, vì như đã biết nó có ảnh hưởng lớn đến cơ tính (hạt càng nhỏ càng tốt). Người ta nhận thấy sau kết tinh lại độ hạt phụ thuộc chủ yếu vào ba yếu tố sau. - Mức độ biến dạng. Nói chung kim loại bị biến dạng dẻo càng mạnh, sau khi ủ kết tinh lại hạt tạo thành càng nhỏ, điều này được giải thích là do xô lệch mạng mạnh tạo nên nhiều mầm. Chính vì vậy ngoài lý do năng suất ra người ta thường cố gắng biến dạng với lượng ép lớn để tạo hạt nhỏ khi kết tinh lại. Biến dạng nhỏ với lượng ép 2 - 8% chỉ tạo ra rất ít vùng xô lệch nên tạo ra ít mầm, hạt tạo thành rất lớn, độ biến dạng như vậy được gọi là độ biến dạng tới hạn, thường phải tránh. Tuy nhiên trong trường hợp ngược lại cần hạt to (trong thép kỹ thuật điện) lại phải lợi dụng hiệu ứng này. Hình 2.22. Sự biến đổi của tổ chức và cơ tính của kim loại đã qua biến dạng dẻo khi bị nung nóng. - Nhiệt độ ủ. Nhiệt độ ủ càng cao tốc độ tạo mầm và phát triển mầm đều tăng nhưng tốc độ phát triển tăng nhanh hơn nên hạt to lên. - Thời gian giữ nhiệt. Thời gian giữ nhiệt tại nhiệt độ ủ càng dài càng có điều kiện cho hạt phát triển nên hạt càng lớn. Trong thực tế thường biến dạng với lượng ép lớn (≥ 40 - 50%), khi ủ chú ý không tăng nhiệt độ quá mức quy định và thời gian giữ chỉ khoảng 1h (tối đa không quá 2h) để tạo ra hạt nhỏ. Tùy thuộc vào kích thước hạt đạt được sau khi kết tinh lại to hay nhỏ hơn, cơ tính sẽ có biến đổi tương ứng so với trước khi biến dạng. Ủ kết tinh lại là phương pháp nhiệt luyện tạo hạt nhỏ duy nhất cho các kim loại, hợp kim không có chuyển biến thù hình. Tổ chức tế vi gang Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ cacbon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay grafit (như vậy rất ít hay không có cacbon ở dạng liên kết hay cacbit). Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là grafit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau: - Ferit khi toàn bộ C ở dạng tự do (nên không còn cacbon để kết hợp với Fe hay các kim loại để tạo thành xêmentit hay cacbit), không có cacbon liên kết. - Ferit - peclit hay peclit khi phần lớn C ở dạng tự do và rất ít (< 0,80%) ở dạng liên kết, Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của grafit như phân biệt trên tổ chức tế vi của các mẫu chưa tẩm thực (grafit không phản xạ ánh sáng có màu tối và nền kim loại chưa biết). + Gang xám: grafit có dạng tấm (phiến, lá...), là dạng tự nhiên khi đúc. + Gang cầu: grafit có dạng quả cầu tròn, phải qua biến tính đặc biệt. + Gang dẻo: grafit có dạng cụm (tụ tập thành đám), qua phân hóa từ xêmentit. Có thể xem gang chế tạo máy là thép (ferit, ferit - peclit, peclit) có lẫn grafit. Chính sự khác nhau của dạng grafit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau. Phương pháp nâng cao cơ tính Cải thiện tổ chức sẽ dẫn đến nâng cao cơ tính chủ yếu là giới hạn bền kéo. - Làm giảm lượng grafit tức giảm số lượng vết nứt, rỗng. Muốn vậy trước hết phải làm giảm lượng cacbon (tổng) của gang (vì Ctổng = Ctự do + Clk). Để nấu chảy gang cacbon thấp (< 3%) do nhiệt độ chảy tăng phải dùng lò điện (thay cho lò đứng chạy than) hay pha thép vào gang. - Làm nhỏ mịn (làm ngắn) grafit, tức giảm kích thước vết nứt rỗng. Muốn vậy phải biến tính gang lỏng bằng ferô mangan, ferô silic. Grafit trong gang được chia thành tám cấp (theo ASTM) từ 1 đến 8, trong đó chiều dài trung bình của cấp 8 là < 0,015mm, cấp 1 là > 1mm. Bảng 5.14. Cơ tính của các loại gang xám - Tạo nền kim loại có độ bền cao hơn. Có thể coi cơ tính của gang là sự kết hợp giữa cơ tính của nền kim loại và grafit, do đó nền có độ bền cao giúp gang có độ bền cao hơn và ngược lại. Như thấy ở bảng 5.14 lượng cacbon liên kết có ảnh hưởng tốt đến độ bền, độ cứng. Tổ chức tế vi của ba loại gang xám trên được biểu thị ở hình 5.19. Như vậy sau khi đúc, gang xám tốt nhất là loại có grafit nhỏ mịn và nền kim loại peclit. Để làm tăng hơn nữa độ bền, độ cứng, gang xám được hợp kim hóa và tiến hành tôi + ram. Hình 5.19. Tổ chức tế vi của các loại gang xám: a. ferit, b. ferit - peclit, c. peclit - Hợp kim hóa có tác dụng chủ yếu là hóa bền nền kim loại (tạo peclit phân tán nhỏ mịn dạng xoocbit), nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, tính chịu nhiệt và hiệu quả đối với nhiệt luyện. - Tôi + ram. Khi tôi + ram, grafit là pha ổn định nên không có biến đổi gì về tỷ lệ, hình dạng, kích thước và sự phân bố. Khi nung nóng (ở cao hơn 850oC) để tôi, nền kim loại chuyển biến như thép đứng riêng rẽ: ferit thành Feγ, ferit – peclit thành austenit ít cacbon, peclit thành austenit với 0,6 - 0,8%C, khi làm nguội nhanh austenit chuyển biến thành mactenxit (với độ cứng cao khác nhau) + grafit tấm và tùy thuộc vào nhiệt độ ram có mactenxit ram hay trôxtit ram hay xoocbit ram + grafit tấm. Gang xám biến trắng Trong sản xuất cơ khí hầu như không dùng gang trắng do quá cứng, không thể gia công cắt được, và giòn, song có sử dụng gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tính chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400 - 600), như để làm bi, trục nghiền, trục xay sát. Muốn vậy khi đúc gang xám thay cho làm nguội thong thường người ta làm nguội nhanh những phần, bề mặt cần cứng (như đúc trong khuôn kim loại hay bằng cách đặt kim loại dẫn nhiệt nhanh trong phần khuôn cát tiếp giáp để tạo ra gang trắng). Đôi khi dù không mong muốn, khi đúc vẫn nhận được gang xám biến trắng (do đúc trong khuôn kim loại, ly tâm, áp lực, ở các thành mỏng...). Để dễ gia công cắt phải đem ủ ở 700 750oC, xêmentit bị phân hóa thành ferit và grafit nhờ đó độ cứng giảm đi. Nếu ủ ở 600 650oC chỉ có khả năng làm mất ứng suất bên trong do làm nguội không đều khi đúc gây ra. Cơ tính gang cầu Do grafit ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu như không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu duy trì được 70 - 90% độ bền của nền kim loại (thép), tức không thua kém thép bao nhiêu và có thể thay thế nó. Các đặc điểm về cơ tính của gang cầu là: - Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (σb = 400 - 800MPa, σ0.2 = 250 - 600MPa), tức là tương đương với thép cacbon chế tạo máy. - Độ dẻo và độ dai nhất định (δ = 2 ÷ 15%, aK = 300 ÷ 600kJ/m2), tuy có kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều. Đặc điểm chế tạo Cầu Về phối liệu, gang cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) nên về cơ bản thành phần của chúng giống nhau (C + Si cao) song cũng có nét khác biệt để làm cho biến tính tạo ra grafit cầu được thuận lợi: - (C + Si) cao hơn (xem bảng 5.9). - P, đặc biệt là S thấp hơn (< 0,03%) do S kết hợp với Mg thành MgS làm xấu cơ tính và tổn hao chất biến tính. - Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Zn, Bi. - Hợp kim hóa bằng Ni (< 2%), Mn (< 1%) để nâng cao hiệu quả của tôi + ram. Về biến tính: - Gang lỏng có nhiệt độ cao hơn bình thường khoảng 50 - 80oC (tức khoảng 1450oC). - Biến tính (đặc biệt) cầu hóa: đưa Mg hay Ce (xêri) vào gang lỏng để phần còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị nhỏ xác định (ví dụ đối với Mg là 0,04 - 0,08%). - Biến tính grafit hóa bằng ferô silic, silicô canxi để chống biến trắng. Cơ tính gang dẻo Do grafit ở dạng cụm (grafit tấm tụ thành từng đám còn gọi là cacbon ủ) và lượng cacbon của gang rất thấp nên gang dẻo có độ bền gần như gang cầu song hơn hẳn gang xám (σb = 300 600MPa, σ0,2 = 200 - 450MPa), song độ dẻo cao như gang cầu (δ = 3 - 15%). Đặc điểm chế tạo Về phối liệu, gang dẻo được chế tạo bằng cách ủ từ gang trắng nên về cơ bản thành phần hóa học của chúng giống nhau: (C + Si) thấp, song cũng có nét khác biệt để khi đúc vừa tạo ra gang hoàn toàn trắng song cũng để dễ grafit hóa khi ủ sau đó nên khi lấy C thấp đi thì Si lấy cao hơn (xem bảng 5.9). Về lựa chọn sản phẩm. Sản phẩm đúc bằng gang dẻo phải có thành mỏng, không cho phép có thành nào dày quá 40mm (thường chỉ cho phép dưới 20 - 30mm) để bảo đảm nguội nhanh tạo ra gang hoàn toàn trắng. Về ủ grafit hóa. Đây là giai đoạn dài nhất (2 - 3 ngày), chiếm tỷ lệ cao trong giá thành. Gang trắng được ủ trong khoảng 1000 - 700oC với sự grafit hóa của xêmentit như sau: - Trên A1 - dưới A1 Fe3C → Feγ(C) + Cgrafit cụm Fe3C → Feα + Cgrafit cụm. Tùy thuộc vào cách tiến hành có thể có các loại gang dẻo sau: - Gang dẻo lõi trắng, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường ôxy hóa làm thoát cacbon mạnh (thường dùng môi trường là quặng sắt) nên cacbon ủ (grafit) bị giảm mạnh nên mặt gãy có màu sang. - Gang dẻo lõi đen, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường trung tính hay không bị ôxy hóa mạnh, cacbon ủ vẫn còn nhiều nên mặt gãy vẫn có màu tối (trừ viền mép ngoài bị thoát cacbon gây trắng). Loại này chỉ có ở Hoa Kỳ. Tùy thuộc vào nền kim loại, quá trình ủ grafit hóa có triệt để hay không, có: + Gang dẻo ferit: grafit hóa triệt để, không có cacbit, xêmentit, thời gian ủ dài (khoảng hai ba ngày) ở 1000 và 7000C. + Gang dẻo peclit: grafit hóa vừa phải, nên kim loại còn khoảng 0,6 đến 0,8%C ở dạng cacbit, xêmentit, thời gian ủ tương đối ngắn (chưa đến hai ngày) chỉ ở 10000C. + Gang dẻo ferit - peclit: trung gian giữa hai loại trên (thời gian ủ ở 7000C ngắn hơn so với khi ủ gang dẻo ferit. Ưu nhược điểm của thép cacbon Ưu điểm Thép cacbon được dùng rất rộng rãi trong kỹ thuật nói chung và chế tạo máy vì ba ưu điểm sau: 1) Rẻ, dễ kiếm không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền. 2) Có cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng. 3) Có tính công nghệ tốt: dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt (so với thép hợp kim). Nhược điểm Thép cacbon cũng có nhiều nhược điểm, trong đó đáng chú ý nhất là: 1) Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao, do đó ảnh hưởng xấu đến độ bền, đặc biệt đối với tiết diện lớn. 2) Tính chịu nhiệt độ cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200oC, ở trên 570oC bị ôxy hóa mạnh. 3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn. Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này. Do vậy trong thực tế thép cacbon được dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa phải, làm việc ở nhiệt độ thường; trong khi đó các thép hợp kim được dùng cho các trường hợp ngược lại. Chuyển biến khi ram Nói chung các nguyên tố hợp kim hòa tan trong mactenxit đều cản trở sự phân hóa của pha này khi ram hay nói cụ thể hơn là làm tăng các nhiệt độ chuyển biến khi ram. Sở dĩ như vậy là vì các nguyên tố hợp kim cản trở sự khuếch tán của cacbon. Đặc biệt W, Mo, Cr có ái lực khá mạnh với cacbon có xu hướng giữ cacbon lại trong mactenxit, do đó duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ cao hơn. Ví dụ, sự tiết ra cacbit hợp kim ra khỏi mactenxit ở các nhiệt độ sau: - Xêmentit Fe3C ở 200oC. - Xêmentit hợp kim (Fe,Me)3C ở 250 - 300oC. - Cacbit crôm Cr7C3, Cr23C6 ở 400 - 450oC. - Cacbit Fe3W3C loại Me6C ở 550 - 600oC. (VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra). Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng sau. - Nâng cao tính chịu nhiệt độ cao, tính bền nóng, tính cứng nóng. - Do khuếch tán khó khăn cacbit tạo thành rất phân tán và nhỏ mịn, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn, được gọi là hóa cứng phân tán. Sự tăng độ cứng khi ram thép hợp kim ở nhiệt độ thích hợp làm cho austenit dư → mactenxit và cacbit tiết ra ở dạng phân tán, nhỏ mịn được gọi là độ cứng thứ hai. - Cùng ram hay cùng làm việc ở một nhiệt độ, thép hợp kim bao giờ cũng có độ cứng, độ bền cao hơn. Điều này cũng có nghĩa để cùng đạt độ cứng độ bền như nhau, phải ram thép hợp kim ở nhiệt độ cao hơn nên khử bỏ được ứng suất bên trong nhiều hơn vì thế thép có thể bảo đảm độ dai tốt. Tóm tắt các tác dụng tốt của nguyên tố hợp kim là: + Khi hòa tan vào dung dịch rắn: • Ferit làm tăng xô lệch mạng gây hóa bền (cacbon cũng có tác dụng này song chỉ ở trạng thái tôi, sau khi ram bị giảm rất mạnh), • Austenit làm tăng tính ổn định của austenit quá nguội, giảm Vt.h, tăng độ thấm tôi, thép tôi ít biến dạng và gãy vỡ hơn nhờ dùng dầu và các môi trường nguội chậm hơn. + Khi tạo thành cacbit hợp kim: • Bản thân pha này cứng và chống mài mòn hơn xêmentit, khó hòa tan khi nung giữ cho hạt nhỏ. • Khó tiết ra khỏi mactenxit hơn nên gây nên bền nóng và cứng nóng. • Khi ram được tiết ra dưới dạng phần tử nhỏ mịn, phân tán gây hóa bền. Phân loại thép hợp kim Đối với thép hợp kim có nhiều cách phân loại hơn và mỗi loại cũng cho biết một đặc trưng cần biết để sử dụng tốt hơn. Theo tổ chức cân bằng Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau: - Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do. - Thép cùng tích: peclit. - Thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do. - Thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit. Riêng trường hợp thép được hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có: - Thép ferit: loại có Cr rất cao (> 17%) và thường rất ít cacbon. - Thép austenit: loại có Mn cao (> 13%) và thường có cacbon cao, và loại có Cr (> 18%) + Ni (>8%). Theo tổ chức thường hóa Theo tổ chức thường hóa các mẫu nhỏ ф25, theo lượng nguyên tố hợp kim tăng lên sẽ có các thép sau đây (hình 5.6): - Thép họ peclit: loại hợp kim thấp, đường cong chữ "C" sát trục tung, nguội trong không khí được hỗn hợp ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxtit; phần lớn thép thuộc loại này. Hình 5.6. Tổ chức sau khi thường hóa của các thép với lượng hợp kim tăng dần: a. peclit, b. mactenxit, c. austenit. - Thép họ mactenxit: loại hợp kim hóa trung bình (> 4 - 6%) và cao, đường cong chữ "C" dịch sang phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng được mactenxit. - Thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao (> 8%) hoặc Mn (> 13%) cao, chúng mở rộng khu vực γ và hạ thấp điểm Ms (< 0oC) nên làm nguội trong không khí (chỉ đến nhiệt độ thường, cao hơn Ms) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức austenit. Cách phân loại này cho biết tổ chức của thép ở trạng thái cung cấp (sau cán nóng làm nguội trong không khí). Theo nguyên tố hợp kim Dựa vào tên nguyên tố hợp kim chính đưa vào để gọi, như: - Thép chỉ có một nguyên tố hợp kim chính như Cr, Mn được lần lượt gọi là thép crôm, thép mangan, chúng là các thép hợp kim (hóa) đơn giản. - Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợp kim như Cr - Ni, Cr - Ni - Mo được lần lượt gọi là thép crôm - niken, thép crôm - niken - môlipđen, chúng là các thép hợp kim (hóa) phức tạp. Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim Theo tổng (hàm) lượng của các nguyên tố hợp kim có trong thép từ thấp đến cao, người ta chia ra: - Thép hợp kim thấp: loại có tổng lượng < 2,5% (thường là thép peclit). - Thép hợp kim trung bình: loại có tổng lượng từ 2,5 đến 10% (thường là thép họ từ peclit đến mactenxit). - Thép hợp kim cao: loại có tổng lượng >10% (thường là họ mactenxit hay austenit) Ở đây dùng theo cách phân loại trên đã quen thuộc ở nước ta, theo ΓOCT. Tuy nhiên các nước trên thế giới quan niệm hợp kim hóa cao thấp không giống nhau. Trung Quốc cũng có ba loại như trên song ranh giới giữa thấp và trung bình là 5% chứ không phải là 2,5%. Các nước Tây Âu chỉ phân biệt hai loại thấp và cao, trong đó hợp kim thấp là loại không chứa nguyên tố hợp kim nào nhiều hơn 5%, còn hợp kim cao là loại có ít nhất một nguyên tố nhiều hơn 5%. Theo công dụng Theo công dụng người ta chia thép hợp kim ra làm ba nhóm: - Thép hợp kim kết cấu. - Thép hợp kim dụng cụ và - Thép hợp kim đặc biệt. Trong đó hai nhóm đầu cũng có trong loại thép cacbon, còn nhóm thứ ba thì không có. Đây là nhóm với tính chất vật lý - hóa học đặc biệt, thường chứa tổng lượng hợp kim cao và rất cao (>20%). Các cách phân loại trên thường có quan hệ với nhau và cho biết một số đặc trưng của thép. Thép austenit, ferit bao giờ cũng là loại thép đặc biệt, hợp kim cao hoặc rất cao, đắt và khó gia công cắt. Thép mactenxit là loại thép rất dễ tôi song rất khó gia công cắt phôi ở trạng thái cung cấp. Thép lêđêburit bao giờ cũng thuộc nhóm hợp kim cao - cacbon cao, rất cứng để làm dụng cụ. Thép Cr - Ni bao giờ cũng là thép kết cấu quý vì có độ thấm tôi cao và độ dai tốt... Dạng thù hình Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học, mỗi cấu trúc khác biệt đó được gọi là dạng thù hình và theo chiều nhiệt độ tăng được ký hiệu lần lượt bằng các chữ cái Hy Lạp α, β, γ, δ, ε.... Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình. Thù hình là hiện tượng thuộc bản chất của một số nguyên tố và hợp chất, trong đó thể hiện rất rõ ở một số vật liệu thường dùng: thép, gang (trên cơ sở sắt), cacbon... với những hiệu ứng và ứng dụng rất quan trọng. Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình thường gặp hơn cả là nhiệt độ, sau đó là áp suất. Như đã biết cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại dưới nhiều dạng thù hình: kim cương (A4), grafit (A9). Sợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60). Grafit là dạng thường gặp và ổn định nhất, còn kim cương rất ít gặp song có thể chế tạo kim cương (nhân tạo) bằng cách ép grafit ở nhiệt độ rất cao (hàng nghìn độ C) và áp suất cao (hàng nghìn at). Như đã biết rằng sắt có hai kiểu mạng là A1 và A2, trong đó mạng A2 tồn tại trong hai khoảng nhiệt độ: dưới 911oC gọi là Feα và từ 1392oC đến nhiệt độ chảy 1539oC gọi là Feδ; còn mạng A1 tồn tại trong khoảng nhiệt độ còn lại 911 - 1392oC gọi là Feγ. Sự khác nhau về cấu trúc, đặc biệt là kích thước các lỗ hổng dẫn đến hai dạng thù hình Feα và Feγ có khả năng hòa tan cacbon và các nguyên tố hợp kim khác nhau, đó là cơ sở của các chuyển pha khi nhiệt luyện thép và tạo ra các loại thép khác nhau về tính chất thỏa mãn các yêu cầu đa dạng của kỹ thuật. Cần chú ý là khi chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tích (nở hay co) và cơ tính. Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911oC sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Feα → Feγ) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này hơi trái với quan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại). [...]... phải đưa kim loại về trạng thái ban đầu như lúc chưa biến dạng bằng cách ủ kết tinh lại Hình 2.8 Ảnh hưởng của độ biến dạng đến cơ tính của kim loại nói chung (a) và đồng nói riêng (b) Ngoài làm thay đổi cơ tính, biến dạng dẻo cũng làm thay đổi lý, hóa tính trong đó đáng chú ý là : - Làm tăng điện trở (do vậy đối với vật liệu dẫn điện như dây đồng, nhôm phải tránh dùng ở trạng thái biến cứng) - Làm... dùng ở trạng thái biến cứng) - Làm giảm mạnh tính chống ăn mòn Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo Như đã trình bày, sau khi biến dạng dẻo kim loại bị biến cứng, hóa bền (do mạng tinh thể bị xô lệch với mật độ lệch cao, tồn tại ứng suất bên trong ), ở trạng thái không cân bằng với năng lượng dự trữ cao và có xu hướng trở về trạng thái cân bằng với các diễn biến ngược lại, trở về mạng cân bằng... , trong đó A tính theo giản đồ pha còn Ac cao hơn và phụ thuộc vào tốc độ nung, Ar thấp hơn và phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ càng cao sự sai khác càng mạnh Khái niêm ̣ bien dạng dẻo Khi kéo từ từ theo chiều trục một mẫu kim loại tròn, dài ta được biểu đồ kéo [hay còn gọi là biểu đồ tải trọng (hay ứng suất ) - biến dạng] với dạng điển hình được trình bày ở hình 2.1 Biểu đồ này cho ta một khái niệm... kiểu mạng là A1 và A2, trong đó mạng A2 tồn tại trong hai khoảng nhiệt độ: dưới 911oC gọi là Fe và từ 1392oC đến nhiệt độ chảy 1539oC gọi là Fe ; còn mạng A1 tồn tại trong khoảng nhiệt độ còn lại 911 - 1392oC gọi là Fe Sự khác nhau về cấu trúc, đặc biệt là kích thước các lỗ hổng dẫn đến hai dạng thù hình Fe và Fe có khả năng hòa tan cacbon và các nguyên tố hợp kim khác nhau, đó là cơ sở của các chuyển... Theo tổ chức cân bằng (ở trạng thái ủ), với lượng cacbon tăng dần có thể lần lượt được các thép với tổ chức sau: - Thép trước cùng tích: peclit + ferit tự do - Thép cùng tích: peclit - Thép sau cùng tích: peclit + cacbit tự do - Thép lêđêburit (cacbit): có lêđêburit Riêng trường hợp thép được hợp kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hay Cr - Ni, sẽ có: - Thép ferit: loại có Cr rất cao... grafit hóa Đây là giai đoạn dài nhất (2 - 3 ngày), chiếm tỷ lệ cao trong giá thành Gang trắng được ủ trong khoảng 1000 - 700oC với sự grafit hóa của xêmentit như sau: - Trên A1 - dưới A1 Fe3 C → Fe (C) + Cgrafit cụm Fe3 C → Fe + Cgrafit cụm Tùy thuộc vào cách tiến hành có thể có các loại gang dẻo sau: - Gang dẻo lõi trắng, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường ôxy hóa làm thoát cacbon mạnh (thường... xảy ra biến dạng cục bộ (hình thành cổ thắt), tải trọng tác dụng giảm đi mà biến dạng vẫn tăng (cổ thắt hẹp lại) dẫn đến đứt và phá hủy ở điểm c Sự biến đổi về mạng tinh thể ở ba trạng thái trên trình bày ở hình 2.2 Hình 2.2 Sơ đồ biến đổi mạng tinh thể khi lần lượt tăng tải trọng: ban đầu (a), biến dạng đàn hồi (b), biến dạng dẻo (c), phá hủy (d) Khi biến dạng đàn hồi các nguyên tử chỉ dịch chuyển đi... + Gang dẻo ferit: grafit hóa triệt để, không có cacbit, xêmentit, thời gian ủ dài (khoảng hai ba ngày) ở 1000 và 7000C + Gang dẻo peclit: grafit hóa vừa phải, nên kim loại còn khoảng 0,6 đến 0,8%C ở dạng cacbit, xêmentit, thời gian ủ tương đối ngắn (chưa đến hai ngày) chỉ ở 10000C + Gang dẻo ferit - peclit: trung gian giữa hai loại trên (thời gian ủ ở 7000C ngắn hơn so với khi ủ gang dẻo ferit Ưu nhược... cao kém: khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm đi nhanh chóng do mactenxit bị phân hóa ở trên 200oC, ở trên 570oC bị ôxy hóa mạnh 3) Không có các tính chất vật lý hóa học đặc biệt như: cứng nóng, chống ăn mòn Các thép hợp kim tránh được các nhược điểm này Do vậy trong thực tế thép cacbon được dùng làm các chi tiết với mặt cắt ngang nhỏ, hình dạng đơn giản, chịu tải trọng nhẹ và vừa phải,... lại trong mactenxit, do đó duy trì độ cứng cao ở nhiệt độ cao hơn Ví dụ, sự tiết ra cacbit hợp kim ra khỏi mactenxit ở các nhiệt độ sau: - Xêmentit Fe3 C ở 200oC - Xêmentit hợp kim (Fe, Me)3C ở 250 - 300oC - Cacbit crôm Cr7C3, Cr23C6 ở 400 - 450oC - Cacbit Fe3 W3C loại Me6C ở 550 - 600oC (VC, TiC, ZrC, NbC không hòa tan khi nung nóng nên không tiết ra) Nhờ vậy dẫn đến các hiệu ứng sau - Nâng cao tính chịu ... trưng tính chất ferrum (sắt, tiếng latinh) cho ferit, pearl (vân) cho peclit, cement (ximăng, cứng) cho xêmentit Phần giản đồ Phần giản đồ trạng thái Fe – C ứng với kết tinh từ trạng thái lỏng thấy... cacbon dung dịch rắn: Fe theo đường ES Fe theo đường PQ Các tổ chức pha Ở trạng thái rắn gặp bốn pha sau Ferit (có thể ký hiệu α hay F hay Fe ) dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe với mạng lập phương...Hình 3.18 Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3 C) Các chuyển biến làm nguội chậm Như nói, giản đồ có đầy đủ chuyển biến khảo sát - Chuyển biến bao tinh xảy